Des nanopiliers créés par le tir unique d'un laser à impulsions ultra-courtes
Un seul tir d'un laser à impulsions ultra-courtes peut faire émerger un pilier de taille nanométrique à la surface d'un matériau. Cette nouvelle méthode de nano fabrication, développée à l’Institut Franche-Comté électronique mécanique thermique et optique – sciences et technologies, a des applications potentielles dans de nombreux domaines: mécanique, biologie, photonique et phononique. Les résultats de l'étude sont publiés dans Laser & Photonics Reviews.
Les lasers femtoseconde, qui délivrent des impulsions ultra-courtes (10-15 s), ont permis des avancées significatives dans la nanotexturation des surfaces et l'ablation des matériaux. Des recherches menées à l’Institut Franche-Comté électronique mécanique thermique et optique – sciences et technologies (Femto-ST, CNRS/SUPMICROTECH - ENSMM/Université de Franche-Comté/Université de technologie de Belfort-Montbéliard) ouvrent maintenant une nouvelle voie de traitement des matériaux par les lasers femtoseconde. L'équipe a mis au point une méthode expérimentale pour générer l'émergence de nano-piliers à la surface du saphir, en utilisant un seul tir laser. Ces recherches ont été menées dans le cadre du projet ANR DENSE, en collaboration avec le Laboratoire de Géologie de Lyon - Terre, Planètes, Environnement (LGL-TPE, CNRS/ENS Lyon/Université Claude Bernard) et le Laboratoire Georges Friedel (LGF, CNRS/Mines Saint-Étienne).
Le dispositif expérimental mis au point par les scientifiques est basé sur un faisceau laser tubulaire (faisceau de Bessel d’ordre supérieur), qui possède une zone de focalisation étendue de forme cylindrique. Une seule impulsion laser ultra-courte dirigée sur le matériau y dépose de très fortes densités d'énergie, extrêmement localisées, créant des températures de plusieurs milliers de Kelvin sur une largeur d'une centaine de nanomètres. Une micro-explosion se produit alors dans une zone de forme cylindrique à l'intérieur du matériau. Cette colonne de matière pressurisée est ensuite éjectée à la surface du saphir, pour former un nano-pilier d'environ 800 nm de diamètre et dont la longueur peut atteindre 15 μm. En fait, des phénomènes différents se produisent selon la densité d'énergie créée par laser à la surface du matériau. Pour les plus faibles densités d'énergie, on obtient effectivement des nano-piliers de forme cylindrique et cristallins. Mais avec de plus fortes densités, ce sont des nano-jets de matière qui émergent à la surface du saphir, et se figent ensuite dans des formes allongées diverses.
L'équipe de recherche a pu réaliser, par cette méthode, une matrice de nano-piliers espacés de 7 μm. Le nouveau procédé, rapide et relativement simple (pas de pré- ni de post- traitement), pourrait trouver des applications dans de multiples domaines: métamatériaux, micromécanique, capteurs, nanophotonique et nanophononique... Des résultats similaires ont été observés dans un autre matériau, l'oxyde de magnésium (MgO). Mais le mécanisme de formation de ces nano-piliers reste encore à élucider. Dans ce but, le laboratoire travaille à la mise au point de techniques de mesure et d'imagerie qui permettront d'analyser en détail ces phénomènes ultra-rapides.
© V.V. Belloni, Femto-ST
Références
Single Shot Generation of High-Aspect-Ratio Nano-Rods from Sapphire by Ultrafast First Order Bessel Beam.
Valeria Viviana Belloni, Mostafa Hassan, Luca Furfaro, Remo Giust, Anne-Magali Seydoux-Guillaume, Sergio Sao-Joao, and François Courvoisier.
Laser & Photonics Reviews, 2023.
https://doi.org/10.1002/lpor.202300687
Article consultable sur la base d’archives ouvertes HAL